Детство Варлей прошло в Мурманске. Отец Натальи Варлей, Владимир Викторович был капитаном дальнего плавания, в течение двух лет он был председателем горисполкома (примерно равно сегодняшнему главе городского правительства).[1] Мать - Ариадна Сергеевна. Младшая сестра - Ирина Варлей, непрофессиональная актриса.

В четырёхлетнем возрасте начала писать стихи, затем училась в музыкальной школе, рисовала. Училась в школе № 8. Когда выучилась читать, стала «проглатывать» одну книгу за другой. В то же время она была очень болезненным ребёнком: у неё обнаружили ревмокардит и запретили заниматься в школе физкультурой.

В конце 50-х годов семья Варлей поселилась в Москве,

В один из дней мать повела Наташу в цирк. В кассе Наталья увидела объявление о наборе детей 11-13 лет в детскую цирковую студию. На следующий день, тайком от родителей, девочка пришла по указанному адресу. Педагоги студии сочли возможным принять её к себе. Окончила акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства (1965) и пришла в труппу Московского цирка на Цветном бульваре. Работала эквилибристкой.

Одно время выступала в одном номере со знаменитым клоуном Л. Г. Енгибаровым. Именно благодаря Енгибарову Наталья попала в кино. Одним из его приятелей был режиссёр Одесской киностудии Г. Э. Юнгвальд-Хилькевич. В один из дней 1966 года он пришёл на очередное представление в цирк на Цветном бульваре и увидел там Наталью. Она настолько понравилась режиссёру, что он тут же предложил ей сняться в своём новом фильме «Формула радуги». Наталья Варлей согласилась, и ей досталась маленькая роль медсестры.

Всесоюзную известность Варлей получила уже после следующего своего фильма «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика», в котором ей досталась заглавная женская роль «спортсменки, комсомолки и просто красавицы» Нины. Жена режиссёра Леонида Гайдая рассказывала, что на роль Нины Гайдай перепробовал огромное количество актрис, включая первых красавиц, но остановился на Наталье Варлей из-за её необычайного обаяния и юношеской непосредственности. Фильм имел большой успех, и Варлей мгновенно приобрела невероятную популярность.

До 1967 года работала эквилибристкой Московского государственного цирка. В 1971 году Наталья Варлей закончила Театральное училище имени Б. В. Щукина. В 1971-1978 гг. была актрисой МДТ имени К. С. Станиславского.

В 1971 году вышла замуж за Владимира Тихонова, сына актёра Вячеслава Тихонова и актрисы Нонны Мордюковой. Родила в это время сына Василия.

В 1980-х годах поступила в Литературный институт имени А. М. Горького. На втором курсе родила второго сына.

В 1999 году вместе с другими известными артистами приняла участие в проекте В. И. Мережко и композитора Евгения Бедненко «Поют звёзды театра и кино», где с успехом выступила как исполнительница собственных песен. Итогом проекта стали концерты и музыкальный диск, выпущенный в США и продублированный «Радио МПС». В 2003 году приняла участие в постановке частного театра Империя Звёзд, в спектакле «Оскар»

В 2009 году принимала участие в проекте Первого Канала «Две звезды» в паре с Н. В. Гнатюком.